Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice

Energia Hidraulică

Profesor coordonator: Rusănescu Carmen Otilia

Student: Sendrulescu Claudia Mihaela

Grupa: 742

1

Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice

Energia Hidraulică

Energia hidraulică reprezintă capacitatea unui sistem fizic (apă) de a efectua un lucru

mecanic la trecerea dintr-o poziție dată în altă poziție (curgere). Datorită circuitului apei în natură,

întreținut automat de energia Soarelui, energia hidraulică este o formă de energie regenerabilă.

Energia hidraulică este o energie mecanică formată din energia potențială a apei dată de diferența

de nivel între lacul de acumulare și centrală, respectiv din energia cinetică a apei în

mișcare. Exploatarea acestei energii se face actualmente în hidrocentrale, care transformă energia

potențială a apei în energie cinetică. Aceasta e apoi captată cu ajutorul unor turbine

hidraulice care acționează generatoare electrice care în final o transformă în energie electrică.

Tot forme de energie hidraulică sunt și energia cinetică a valurilor și mareelor. [1]

Fig.1 Barajul Bicaz [2]

2

Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice

ISTORIC

Energia hidraulică a fost folosită încă din antichitate În India se foloseau roțile

hidraulice la morile de apă. În Imperiul Roman morile acționate de apă produceau fâină și erau

folosite de asemenea la acționarea gaterelor pentru tăierea lemnului și a pietrei. Puterea unui

torent de apă eliberată dintr-un rezervor a fost folosită la extracția minereurilor, metodă descrisă

încă de Pliniu cel Bătrân. Metoda a fost folosită pe larg înevul mediu în Marea Britanie și chiar

mai târziu la extracția minereurilor de plumb și staniu. Metoda a evoluat în mineritul hidraulic,

folosită în perioada goanei după aur din California.

În China și în extremul orient, roți hidraulice cu cupe erau folosite la irigarea culturilor. În

anii 1830, în perioada de vârf a canalelor, energia hidraulică era folosită la tractarea barjelor în

sus și în josul pantelor pronunțate. Energia mecanică necesară diverselor industrii a determinat

amplasarea acestora lângă căderile de apă.

În zilele de azi utilizarea curentă a energiei hidraulice se face pentru producerea curentului

electric, care este produs în acest caz cu costuri relativ reduse, iar energia produsă poate fi

utilizată relativ departe de surse. [1]

Fig.2 Mineri folosind jeturi de apă în exploatarea auriferă Dutch Flat, California, între 1857 -

1870. [3]

3

Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice

Fenomene naturale

Din punct de vedere al hidrologiei, energia hidraulică se manifestă prin forța apei

asupra malurilor râului și a bancurilor. Aceste forțe sunt maxime în timpul inundațiilor, datorită

creșterii nivelului apelor. Aceste forțe determină dislocarea sedimentelor și a altor materiale

din albiarâului, cauzând eroziune și alte distrugeri. [1]

Descriere cantitativa

Resursa hidroenergetică poate fi evaluată prin puterea (energia în unitatea de timp) care se

poate obține. Puterea depinde de căderea și cu debitul sursei de apă.

Căderea (engleză head) determină presiunea apei, care este dată de diferența de nivel dintre

suprafața liberă a apei și a turbinei, exprimată în metri.

Debitul de curgere (engleză flow rate) este cantitatea de apă care curge în unitatea de timp

care curge prin conducta de aducțiune într-o anumită perioadă de timp, exprimată în metri

cubi/secundă.

Cantitatea de energie   care se obține prin coborârea în câmp gavitațional a unui obiect de

masă   cu o diferență de înălțime   este:

unde   este accelerația gravitațională.

Energia hidraulică disponibilă într-un lac de acumulare se poate extrage prin coborârea

intenționată a nivelului apei. În acest caz, puterea depinde de debitul masic al apei.

Deoarece fracția   este tocmai puterea   și exprimând în membrul din dreapta

fracția   în funcție de debitul volumic de curgere   și de densitatea apei, se obține forma

uzuală:

Pentru a obține   în wați,   trebuie exprimată în kg/m³,   în m³/s,   în m/s² și   în m.

Unele dispozitive, ca roțile hidraulice extrag energie din curgere fără a fi necesar ca apa să-și

schimbe înălțimea, caz în care se exploatează doar energia cinetică a curentului de apă:

4

Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice

unde   este viteza apei.

Cu  , unde A este secțiunea pin care trece apa:

Roțile cu aducțiune superioară pot extrage ambele tipuri de energie, atât cea potențială, cât și cea

cinetică. [1]

Moduri de exploatare a energiei hidraulice

Roti hidraulice

O roată hidraulică utilizează energia râurilor pentru a produce direct lucru mecanic.

La debite mici se exploatează în principal energia potențială a apei. În acest scop se folosesc

roți pe care sunt montate cupe, iar aducțiunea apei se face în partea de sus a roții, apa

umplând cupele. Greutatea apei din cupe este forța care acționează roata. În acest caz căderea

corespunde diferenței de nivel între punctele în care apa este admisă în cupe, respectiv

evacuată și este cu atât mai mare cu cât diametrul roții este mai mare.

La debite mari se exploatează în principal energia cinetică a apei. În acest scop se folosesc

roți pe care sunt montate palete, iar aducțiunea apei se face în partea de jos a roții, apa

împingând paletele. Pentru a avea momente cât mai mari, raza roții trebuie să fie cât mai

mare. Adesea, pentru a accelera curgerea apei în dreptul roții, înaintea ei se plasează

un stăvilar deversor, care ridică nivelul apei (căderea) și transformă energia potențială a

acestei căderi în energie cinetică cuplimentară, viteaza rezultată prin deversare adăugându-se

la viteza de curgere normală a râului. [1]

Prima roată de apă s-a folosit în Persia pentru irigat, apoi în China şi în India. Pe teritoriul

ţării noastre s-au folosit mori hidraulice încă din secolul al XI-lea. Ele utilizau energia cinetică a

râurilor cu debite mari sau a căderilor de apă. Instalaţiile hidraulice au fost construite în două

variante: cu roata hidraulică verticală şi cu roată hidraulică orizontală (făcaie, ciutură sau titirez,

în limbaj popular).

5

Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice

Toate instalaţiile se construiau din lemn de esenţă tare (stejar, de exemplu). Roata hidraulică

verticală este formată dintr-un ax orizontal, cu o circumferinţă (obadă) pe care se montează

paletele. Apa poate interacţiona cu paletele din partea superioară a roţii – atunci când curge pe un

jgheab înclinat – sau cu cele din partea inferioară a roţii, în cazul râurilor suficient de repezi şi de

adânci. Paletele roţii verticale pot fi drepte sau scobite. Atunci când paletele drepte se montează

direct pe un ax gros ele se numesc zbaturi.

Principiul de funcţionare a roţii hidraulice constă în transformarea mişcării de translaţie a

apei în mişcare de rotaţie a roţii şi axului ei; o parte din energia mecanică a apei se transformă

astfel în energie mecanică de rotaţie, care, la rândul ei, este folosită pentru punerea în mişcare a

unei instalaţii de irigat sau pentru a acţiona alte dispozitive – mori de măcinat, pive, şteampuri.

[4]

Fig.3 Roată hidraulică cu aductiune superioara la Mozonova, Spania [5]

6

Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice

Fig.4 Roţi hidraulice cu aducţiune inferioară la Hama,Siria [6]

Hidrocentrale

O hidrocentrală utilizează amenajări ale râurilor sub formă de baraje, în scopul producerii

energiei electrice. Potențialul unei exploatări hidroelectrice depinde atât de cădere, cât și de

debitul de apă disponibil. Cu cât căderea și debitul disponibile sunt mai mari, cu atât se poate

obține mai multă energie electrică. Energia hidraulică este captată cu turbine.

Potențialul hidroenergetic al României era amenajat în 1994 în proporție de cca. 40 %. Centrale

hidroelectrice aveau o putere instalată de 5,8 GW, reprezentând circa 40% din puterea instalată

în România. Producția efectivă a hidrocentralelor a fost în 1994 de aproape 13 TWh,

reprezentând circa 24 % din totalul energiei electrice produse. 

Actual puterea instalată depășește 6 GW[3] iar producția este de cca. 20 TWh pe an. Cota de

energie electrică produsă pe bază de energie hidraulică este de cca. 22 - 33 %. [1]

O hidrocentrală este o centrală electrică folosită pentru a transforma energia

mecanică produsă de apă înenergie electrică.

Funcționare

Printr-un baraj de acumulare a apei pe cursul unui râu, unde poate exista eventual și

o cascadă, se realizează acumularea unei energii potențiale, transformată în energie cinetică prin

rotirea turbinelorhidrocentralei. Această mișcare de rotație va fi transmisă mai departe printr-un

7

Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice

angrenaj de roți dințate generatorului de curent electric, care va transforma energia mecanică

în energie electrică. [11]

Fig. 5 Schema unei hidrocentrale prevăzută cu o turbină Kaplan [12]

Tabelul 1 Principalele hidrocentrale in România [7]

8

Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice

Hidrocentrala Porțile de Fier I  este cea mai mare hidrocentrală de pe fluviul Dunăreași

are o putere instalată de 1080 MW. În aval există și hidrocentrala Porțile de Fier II, cu puterea

instalată de 250 MW. Ambele hidrocentrale sunt exploatate în parteneriat cu partea sârbă,

centralele română și sârbă la Porțile de Fier I cumulând 2160 MW, iar cele de la Porțile de Fier II

cumulând 500 MW; capacitatea maximă a turbinelor este de 8700 m³/s. Centrala Porțile de Fier I

este amplasată la 15 km amonte de orașul Drobeta Turnu-Severin, iar centrala Porțile de Fier II

la 60 km în aval.

Navigația pe Dunăre este asigurată prin ecluze realizate pe ambele maluri la ambele obiective,

ele având împreună o capacitate de trafic de 52.4 milioane tone/an pentru ecluzarea pe câte un

sens și 37.2 milioane tone/an pentru ecluzarea în ambele sensuri.

Sistemul Porțile de Fier I este una din cele mai mari construcții hidrotehnice din Europa și cea

mai mare de pe Dunăre. Lacul său de acumulare cu un volum de peste 2200 milioane mc se

întinde de la baraj până la confluența cu râul Tisa. Lacul cuprinde în principal zona Defileului

Dunării, cel mai mare defileu din Europa, cuprins între localitațile Baziaș și Orșova. Zona Porțile

de Fier are un bogat potențial arheologic, istoric și turistic. Pentru protejarea habitatului său

natural deosebit, regiunea defileului Dunării a fost inclusă in Parcul Natural Porțile de Fier.

Regiunea Defileului Dunării reprezintă una din cele mai pitorești și atractive zone turistice, atât

prin frumusețile naturale ale regiunii cât și prin monumentele istorice datând din

perioada Imperiului Roman. Ruinele castrului roman Drobeta și alepodului construit de

împăratul roman Traian peste Dunăre sunt numai câteva din atracțiile oferite de Muzeul Porțile

de Fier din orașul Drobeta Turnu-Severin. [8]

Fig.6 Hidrocentrala porțile de Fier I [9]

9

Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice

Fig.7 Hidrocentrale porțile de Fier II [10]

Microcentrale și picocentrale hidraulice

Prin microcentrală hidraulică se înțelege o hidrocentrală cu puterea instalată de 5 -

100 kW, iar o picocentrală hidraulică are o putere instalată de 1 - 5 kW. O picocentrală poate

alimenta un grup de câteva case, iar o microcentrală o mică așezare.

Deoarece consumul de curent electric are variații mari, pentru stabilizarea funcționării se pot

folosi baterii de acumulatori, care se încarcă în momentele de consum redus și asigură consumul

în perioadele de vârf. Datorită faptului că curentul de joasă tensiune produs de generatorul

microcentralei nu poate fi transportat convenabil la distanță, acumulatorii trebuie plasați lângă

turbină. Este nevoie de toate componentele unei hidrocentrale clasice - mai puțin barajul - adică

sistemul de captare, conductele de aducțiune, turbina, generatorul, acumulatori, regulatoare,

invertoare care ridică tensiunea la 230 V, ca urmare costul unei asemenea amenajări nu este mic

și soluția este recomandabilă doar pentru zone izolate, care nu dispun de linii electrice.

Microcentralele se pot instala pe râuri relativ mici, dar, datorită fluctuațiilor sezoniere de debit

ale râurilor, în lipsa barajului debitul râului trebuie să fie considerabil mai mare decât cel

prelevat pentru microcentrală. Pentru o putere de 1 kW trebuie pentru o cădere de 100 m un debit

de 1 l/s. În practică, datorită randamentelor de transformare, este nevoie de un debit aproape

dublu, randamentul uzual fiind puțin peste 50 %. [1]

10

Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice

Centrale mareomotrice

O centrală mareomotrică recuperează energia mareelor. În zonele cu

maree, acestea se petrec de două ori pe zi, producând ridicarea, respectiv scăderea nivelului

apei. Există două moduri de exploatare a energiei mareelor: 

• Centrale fără baraj, care utilizează numai energia cinetică a apei, similar cum morile

de vânt utilizează energia eoliană. 

• Centrale cu baraj, care exploatează energia potenţială a apei, obţinută prin ridicarea

nivelului că urmare a mareei. 

Deoarece mareea în Marea Neagră este de doar câţiva centimetri, România nu

are potenţial pentru astfel de centrale. [1] 

Compania australiană Oceanlinx a inaugurat prima centrală mareomotrică de 1

MW din lume în portul MacDonnell, situat în sudul Australiei. Tehnologia „Greenwave” a celor

de laOceanlinx foloseşte energia falurilor pentru a produce aer sub presiune care ulterior este

injectat într-o turbină care generează energie electrică. Convertorul este încastrat într-un cofrag

prefabricat din beton armat care este ancorat la adâncimi de 10 – 15 metri, fără a distruge

fundul marii.  [13]

Fig.8 Centrala mareometrica de 1 MW [13]

11

Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice

Instalații care recuperează energia valurilor

Pentru recuperarea energiei valurilor se pot folosi scheme similare cu cele de la centralele

mareomotrice cu baraj, însă, datorită perioadei scurte a valurilor aceste scheme sunt puțin

eficiente.

Un obiect care plutește pe valuri execută o mișcare cu o traiectorie eliptică. Cea mai simplă

formă de valorificare a acestei mișcări pentru recuperarea energiei valurilor

sunt pontoanele articulate. O construcție modernă este cea de tip Pelamis[8] formată din mai mulți

cilindri articulați, care, sub acțiunea valurilor au mișcări relative care acționează niște pistoane.

Pistoanele pompează ulei sub presiune prin motoare hidraulice care acționează generatoare

electrice. [1]

12

Universitate Politehnica Bucuresti-Ingineria Sistemelor Biotehnice

Bibliografie

[1]- http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_hidraulic%C4%83

[2]- http://despreromania.com/lacul-rosu/

[3]- http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_hidraulic%C4%83#mediaviewer/File:X-60072.jpg

[4]- http://www.referat.ro/referate/Tehnologii_traditionale_808.html

[5]- http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_hidraulic%C4%83#mediaviewer/File:La_noria.jpg

[6]- http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_hidraulic%C4%83#mediaviewer/File:Trois_norias_hama1980.jpg

[7]- http://www.energie-gratis.ro/hidrocentrale.php

[8]- http://ro.wikipedia.org/wiki/Por%C8%9Bile_de_Fier_I

[9]- http://fortasocialaromana.ro/stiatica.php?idStiatica=12

[10]- http://www.hidroconstructia.com/rom/portile_de_fier.html

[11]- http://ro.wikipedia.org/wiki/Hidrocentral%C4%83

[12]- http://ro.wikipedia.org/wiki/Hidrocentral%C4%83#mediaviewer/File:Hydroelectric_dam_german.png

[13]- http://www.green-report.ro/australienii-detin-prima-centrala-mareometrica-de-1-mw-din-

lume/

13